2 principios de la energia eólica

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Principios de la energía eólica

CURSO ENERGIA ECURSO ENERGIA EÓÓLICA 2007LICA 2007

MMóódulo.dulo. La EnergLa Energíía Ea Eóólicalica

SesiSesióón: Principios de n: Principios de lala energenergíía a eeóólicalicaSeptiembre 2007Septiembre 2007

ENDESA SubdirecciENDESA Subdireccióón de Seleccin de Seleccióón y Formacin y Formacióónn



SESIÓN: Principios de la energía eólicaNº HORAS: 2

PROFESOR: Vicente González MonfortIngeniero AeronáuticoGAMESA Eólica

OBJETIVOS:

Presentar al alumno los fundamentos básicos en los que se sustenta la energía eólica y su evolución histórica en cuanto a su utilización y desarrollo.



ÍNDICE

1. Sus principios. Evolución histórica.

2. Principios aerodinámicos. El rotor.



1.- Sus principios. Evolución histórica.

“ Cuando el viento sopla, algunos construyen refugios, otros, construyen molinos de viento”. (Proverbio

chino)



La primera y más sencilla aplicación de la energía del viento, corresponde al uso de las velas en la navegación. La referencia más antigua que se conoce relativa a la navegación se encuentra en grabados egipcios que datan del V milenio a.d.C.

Sus principios. Evolución histórica.

Figura 1: Grabado de una embarcación egipcia impulsada a vela perteneciente a la época del Alto Imperio, 4.500años a.d.C.



Los primeros mecanismos impulsados por el viento (máquinas eólicas) , que se conozcan, fueron unas ruedas de oración que se utilizaban en actos religiosos en el Tibet y Mongolia.

Figura 2: Máquinas Eólicas conocidas como ruedas de oración aparecidas varios siglos antes

de nuestra era en zonas del Tibet y Mongolia.




Los primeros “molinos de viento”es creencia generalizada que se empezaron a utilizar en Oriente, ya sea en la antigua Persia o en China, de eje vertical, conocido como panémona que captaban la energia del viento sobre aspas o velas construidas con maderas y telas.

Panémona china(Procedencia: “Historia de las maquinas eolicas” . J.C. Cadiz)




Molino Persa. Siglo VII a.d.C.




La extensión de estos ingenios hacia Europa y por ende a España desde Oriente Medio se llevó a cabo por medio de la difusión de la cultura islamica hacia los paises Mediterraneos. Para los paises europeos sin influencia del Islam, como Inglaterra y Holanda, la idea aparecio de manera autóctona. En Holanda, desde 1430, se utilizaron masivamente para la desecación de los polders.

Molino de viento en Holanda.




En España su uso se extendió por toda la franja costera Mediterránea, islas Baleares, Valencia, Murcia y Andalucía y tambien en el interior de la Península. En la región manchega en los siglos XVI y XVII llegaron a ser muy abundantes, aunque vestigios y referencias a molinos de viento se encuentran también en Castilla, Galicia y Pais vasco.




Los molinos españoles en las zonas interiores presentaban una tipología mas parecida a la centroeuropea, mientras los construidos en el campo de Cartagena o Andalucia responden al modelo que existe también en otras zonas mediterraneas como Grecia o Greta y cuyas aspas adquieren un aire marinero semejando las velas de las pequeñas embarcaciones que surcaban el Mediterraneo.

Molino mediterráneo en Playa de los Genoveses Cabo de Gata.




Los elementos que componían estos antiguos molinos de viento son en su base fundamental similares a los existentes en la actualidad; torre soporte, barquilla donde se aloja el eje de rotación y la gigantesca rueda Catalina, sistema de orientación, engranajes y poleas como sistemas de transmisión y cambio de dirección del viento, rotores con varias palas dotadas del ángulo de torsión necesario para optimizar la incidencia del viento, sistemas de parada y de seguridad contra vientos altos y con el control del artilugio encomendado al molinero.

Típico molino de viento manchego. Procedencia: “Historia de las maquinas eolicas” . J.C. Cadiz




El bombeo es la aplicación que le dio un mayor auge en los siglos posteriores con la colonización del Oeste Americano en donde se necesitaba abundante cantidad de agua que existía en el subsuelo. Con este fin se desarrollo un molino pequeño, lento, con gran número de palas y elevado par de arranque. Se fabricaron mas de 6 millones de molinos “multipala americano” entre 1880 y 1930. Su tamaño medio era de 3m de diámetro con un número de palas que oscilaba entre 18 y 24.




No fue hasta los primeros años del siglo XX cuando aparecen las aplicaciones de los molinos de viento para generación eléctrica. Las teorías aerodinámicas permitieron establecer los principios básicos de funcionamiento de las nuevas aeroturbinas lográndose optimizar los diseños.Betz publica en 1927 su famoso enunciado que demostraría que no es posible extraer mas del 59% de la energía contenida en el viento y Glauert establece las teorías en que se basa el comportamiento aerodinámico de las aeroturbinas modernas.

Primera edición de“ The Elements of Aerofoil and Airscrew Theory”

aparecida en 1926




Dinamarca es el país donde se presta una mayor atención a la generación eólica de energía eléctrica y es allí donde se construye el primer prototipo diseñado por el profesor Poul la Cour (1846-1908). Este diseño contaba con palas con forma de lamas de persianas que al girar dejaban pasar el aire a su través constituyendo un ingenioso sistema de seguridad contra vientos altos.Este fue el pionero de la larga serie de aerogeneradores que se construyeron en este país y cuyo mayor exponente es el de Gedserconstruido en el año 1957 y que como plataforma de ensayos duró hasta 1979.




Estados Unidos también conoció un desarrollo importante de la energía eólica durante las primeras décadas del siglo XX. En los años 40 se construye el aerogenerador Smith-Putnmadiseño de gran complejidad y audacia y que por problemas de fatiga de material sufriógraves fallos.En la década de los 70 coincidiendo con la crisis del petróleo nuevamente hay una etapa de gran desarrollo.

Aerogenerador Smith-PutnamAerogenerador MOD 1 (NASA)




Tipos de aerogeneradores



El aerogenerador actual



Los principales fabricantes Mw´s instalados en 2006

Top-10 Suppliers in 2006% of the total market 15,016 MW

GAMESA (ES) 15.6%

GE WIND (US) 15.5% ENERCON (GE)

15.4%

SUZLON (Ind) 7.7%

SIEMENS (DK) 7.3%

Others 4.6% GOLDWIND (PRC)

2.8%

ACCIONA (ES) 2.8%

VESTAS (DK) 28.2%

REPOWER (GE) 3.2%

NORDEX (GE) 3.4%

Source: BTM Consult ApS - March 2007



Los principales fabricantesMw´s instalados acumulados a 2006

Accu. Supplied Share Accu. ShareMW MW 2006 MW accu.2005 2006 % 2006 %

VESTAS (DK) 20,766 4,239 28.2% 25,006 33.7%GAMESA (ES) 7,912 2,346 15.6% 10,259 13.8%GE WIND (US) 7,370 2,326 15.5% 9,696 13.0%ENERCON (GE) 8,685 2,316 15.4% 11,001 14.8%SUZLON (Ind) 1,485 1,157 7.7% 2,641 3.6%SIEMENS (DK) 4,502 1,103 7.3% 5,605 7.5%NORDEX (GE) 2,704 505 3.4% 3,209 4.3%REPOWER (GE) 1,522 480 3.2% 2,002 2.7%ACCIONA (ES) 372 426 2.8% 798 1.1%GOLDWIND (PRC) 211 416 2.8% 627 0.8%Others 6,578 689 4.6% 7,267 9.8%Total 62,108 16,003 107% 78,110 105%Source: BTM Consult ApS - March 2007



Los principales fabricantes

Supplied Domestic Export Export2006 2006 2006 shareMW MW MW %

VESTAS (DK) 4,239 11 4,228 99.7%ENERCON (GE) 2,316 856 1,461 63.1%GAMESA (ES) 2,346 962 1,385 59.0%GE WIND (US) 2,326 1,121 1,205 51.8%SIEMENS (DK) 1,103 0 1,103 100.0%NORDEX (GE) 505 106 400 79.1%REPOWER (GE) 480 199 281 58.5%SUZLON (Ind) 1,157 929 227 19.7%ACCIONA (ES) 426 374 53 12.3%GOLDWIND (PRC) 416 416 0 0.0%Total 15,314 4,972 10,342 67.5%Source: BTM Consult ApS - March 2007

Mw´s vs exportación en 2006



Los diez principales paises Mw´s instalados acumulados por años

Accu. Accu. Accu. Accu. Growth rate 3 yearsend end end end 2005-2006 average

Country 2003 2004 2005 2006 % %Germany 14,612 16,649 18,445 20,652 12.0% 12.2%USA 6,361 6,750 9,181 11,635 26.7% 22.3%Spain 6,420 8,263 10,027 11,614 15.8% 21.8%India 2,125 3,000 4,388 6,228 41.9% 43.1%Denmark 3,076 3,083 3,087 3,101 0.5% 0.3%P.R. China 571 769 1,264 2,588 104.7% 65.5%Italy 922 1,261 1,713 2,118 23.6% 31.9%UK 759 889 1,336 1,967 47.2% 37.3%Portugal 311 585 1,087 1,716 57.9% 76.8%France 274 386 775 1,585 104.6% 79.4%Total "Ten" 35,431 41,634 51,303 63,203 23.2% 21.3%Source: BTM Consult ApS - March 2007



Los principales operadores

eólicos.

Name of wind farm operator

Cumulative MWcapacity by endof 2006

1. Iberdrola (ES) 4,4342. FPL (US) 4,3003. Acciona Windpower (ES) 3,1334. Babcock Brown Windpartner (AUS) 1,6315. ScottishPower/PPM (UK) 1,5936. Endesa (SP) 1,5007. Eurus Energy Holding (JP) 1,3248. EDP Electricidade de Portugal (P) 1,0109. Shell Renewable (NL) 84910. Essent /Nuon (NL) 84011. Horizon (US) 82412. EDF Energies Nouvelles (FR) 79013. Dong Energy (DK) 72414. ENEL (I) 60015. Vattenfall (S) 534Total of the shown companies 24,086Source: BTM Consult ApS - March 2007



Previsiones 2007-20011

Global Wind Power ForecastCumulative MW by end of 2006 & Forecast 2011

0

20,000

40,000

60,000

80,000

100,000

120,000

Europe USA Asia Rest of World

2006 (74,306 MW) 2011 (203,151 MW)Source: BTM Consult ApS - March 2007



2.- Principios aerodinámicos. El rotor.

“La energía eólica es la energía cinética del viento”



Principios aerodinámicos. Comportamiento global de la aeroturbina.

Supongamos un tubo de corriente que encierra el rotor y se extiende aguas arriba y aguas abajo de la corriente hasta regiones alejadas en las que las variables fluidas alcanzan valores constantes.

Para el análisis del problema haremos las siguientes hipótesis:

Movimiento estacionario.Perfiles de velocidad uniformes.Rotor aislado. Sin efectos colaterales del terreno y obstáculos.Tubo de corriente con simetría axial.Flujo incompresible.No existen efectos de rotación en el aire.



Bajo estas hipótesis el rotor de la aeroturbina se comporta como un disco poroso de espesor infinitesimal que actúa sobre el tubo de corriente creando un salto de presiones a través de el, o también, podemos suponer que el rotor de la máquina está formado por un número infinito de palas que giran a una velocidad muy elevada sin producir gran resistencia.

Aplicando el teorema de conservación de la cantidad de movimiento al volumen de control, obtendremos la fuerza sobre la aeroturbina (disco del rotor) en la dirección de la corriente: )( 21 VVUS ρF −⋅⋅⋅=Por otro lado, esta fuerza también viene dada por la diferencia de presiones delante y detrás del rotor multiplicada por el área (aplicando Bernoulli):

)(21)( 2

22

1 VVSpp SF −−+ ⋅⋅⋅=−⋅= ρ

Igualando ambas expresiones deducimos la velocidad en el plano del rotor :

2)( 21 VV U +=




La potencia mecánica que se extrae del aire, es el resultado de la energía cinética que éste pierde a su paso por la aeroturbina :

)2/2/( 22

21 VVUS ρ Pm −⋅⋅⋅=

Definiendo el coeficiente de velocidad inducida axial, a , como : )1(1 a VU −=

)21(12 a V V −=Obtenemos :

)1(421 21 aaVSρ F −⋅⋅⋅⋅⋅=

231 )1(421 aaVSρ Pm −⋅⋅⋅⋅⋅= )4( 2D S π=




Limite de BetzPara calcular cuando tendremos máxima potencia mecánica, derivamos e igualamos a cero :

0)341(2 231 =+−⋅⋅⋅⋅= aaVSρ da

dPm

La máxima potencia ocurre cuando a = 1/3, por tanto :

Este valor, es el máximo valor de la potencia contenida en el tupo de corriente del aire que es capaz de extraer el rotor de una aeroturbina.

Limite de Betz :

Una turbina eólica puede convertir en energía mecánica como máximo un 59,26 % de la energía cinética del viento que incide sobre ella.

27/1621 3

1 ⋅⋅⋅= VSρ Pm




El comportamiento aerodinámico de un rotor de aeroturbina viene caracterizado de manera general por los valores de los coeficientes de tracción (CT), coeficiente de par (CQ) y sobre todo el coeficiente de potencia (CP):

32

1

Potencia),(

vSCpCp

⋅⋅⋅==

ρβλ

22

1

Par),(

vRSCqCq

⋅⋅⋅⋅==

ρβλ

22

1

Tracción),(

vSTCTC

⋅⋅⋅==

ρβλ

) (lambda V

RΩ=λ

Parámetros adimensionales que definen el comportamiento de la aeroturbina

Donde: β es el ángulo de paso y λes el coeficiente de velocidad específica, definido como el cociente entre la velocidad de punta de pala y la velocidad del viento:




Figuras y Gráficos soporte.




• El coeficiente de potencia, se puede entender como el rendimiento del aerogenerador, siendo, el porcentaje de energía contenida en el viento que atraviesa el rotor y que es transformada en energía mecánica en el eje del rotor.Depende de la pala y del sistema de control de la máquina.

• El límite físico para dicho parámetro es 59,26 % (Límite de Betz). Valores reales máximos están entre 0,42 y 0,45.

Coeficiente de potencia

32

1

Potencia),(

vSCpCp

⋅⋅⋅==

ρβλ




• Una fuerza aerodinámica es generada cuando una corriente de aire fluye alrededor de un perfil aerodinámico.

• La forma del perfil crea una depresión en el extrados y una sobrepresión en el intrados. La diferencia de presión estre la parte superior y la inferior, extrados e intrados respectivamente, es la que produce la fuerza neta resultante sobre el perfil.

Principios aerodinámicos. Perfiles aerodinámicos.



Figuras y Gráficos soporte.Principios aerodinámicos. Perfiles aerodinámicos.



• La fuerza aerodinámica resultante, se puede dividir en dos componentes, la sustentación (L=Lift) y la resistencia (D=Drag). La sustentación actua perpendicular al viento relativo mientras que la resistencia se opone al movimiento del perfil en el aire y lleva la dirección del viento incidente.




VV

VV

Viento

+

-

LL

DD αVV

+

-

LL

DD

αVV




22

1

L),(

Wcforma

LC

LC

⋅⋅⋅==

ρα

Parámetros adimensionales para el estudio del comportamiento de un perfil

22

1

D),(

WcformaDCDC

⋅⋅⋅==

ρα

El comportamiento aerodinámico de un perfil de rotor de aeroturbina viene caracterizado de manera general por los valores de los coeficientes de sustentación (CL) y coeficiente de resistencia (CD):

Donde: ρ es la densidad del aire, c la cuerda del perfil, W la velocidad relativa, α ángulo de ataque y forma su forma geométrica.




Figuras y Gráficos soporte.




Perfiles aerodinámicos para aeroturbinas

Los perfiles utilizados tradicionalmente en rotores de aeroturbinas son los mismos que se utilizan de manera general en la industria aeronáutica. En los últimos años se han realizado considerables esfuerzos en diseñar perfiles específicos para aeroturbinas como los S-8 gruesos y delgados del DOE-SERI o los DU de la Universidad de Delft, los perfiles RISO y los perfiles FFAW3 del organismo aeronáutico sueco FFA.La selección del tipo de perfil debe estar basada en el máximo (L/D)max que sea capaz de alcanzarse compatible con geometrías de pala practicables y altos niveles de actuaciones.




Palas para aerogeneradoresNúmero y forma.

Numero : El efecto que produce aumentar el número de palas es aumentar el coeficiente de potencia, asimismo la energía producida es función directa del número de palas.Los incrementos en las actuaciones de las aeroturbinas de 3 y 4 palas sobre las de 2 palas es aproximadamente del 3% y 4% respectivamente. Si se quisiera obtener la misma energía el diámetro del rotor tendría que incrementarse.La elección del número de palas, es pues, un compromiso entre poner menos de mayor longitud o más de menor tamaño.

Forma: El comportamiento aerodinámico de los rotores de aeroturbinas depende en gran medida de la geometría de la pala que se define indicando la distribución de cuerdas, ángulos de torsión, espesores relativos y tipo de perfil a lo largo del radio.

Principios aerodinámicos.



Palas para aerogeneradoresNúmero y forma.

El factor de actividad de la pala junto con el número de palas es una medida de la solidez del rotor y determina cualitativamente la forma en planta de la misma. Se obtiene fácilmente a partir de la distribución de cuerdas de la pala.

∫ ⋅⋅⋅

=1

35

)(1610

xr

dxxxcD

AF

Los factores de actividad elevados implican velocidades específicas de diseño, λ, reducidas, esto hace que el factor de actividad deba reducirse cuando la velocidad de giro aumenta.




Curva de potencia

La característica que define a un aerogenerador específico es su curva de potencia, que nos da la potencia que es capaz de suministrar el aerogenerador para cada velocidad de viento.

No se debe caer en el error de comparar máquinas por su potencia nominal sin tener en cuenta a que velocidad de viento se consigue.

La curva de potencia se ha de medir en campo respetando escrupulosamente toda la normativa que para tal uso esta definida.




CURVAS DE POTENCIAComparativa paso fijo - paso variable

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

0 5 10 15 20 25

Windspeed at hub height ( m/s )

Pote

ncia

de

salid

a ad

imen

sion

aliz

ada

Paso variable Paso fijo

Curva de potenciaPrincipios aerodinámicos.



La góndola



El parque eólico.



Proceso montaje góndolas



Proceso montaje torres



Proceso fabricación de palas



Bibliografía. (I)

“Applied aerodynamics of wind power machines”. Wilson, R.E. ; Lissaman, B.S. NSF/RA/N-74113

“Aerodynamic perfornance of wind turbines”. Wilson, R.E. ; Lissaman, B.S ; Walker, S.N. ERDA/NSF/04014-76/1

“Wind turbine engineering design”. Eggleston, D.M.; Stoddard, F.S. N.Y. Van NostrandReinhold company

“Wind Turbines” . Erich Hau. Springer.

“Wind Energy Handbook”. Burton; Sharpe; Jenkins; Bossanyi John Wiley&Sons

“Historia de las Maquinas Eólicas”. Juan Carlos Cadiz. Endesa

“Wind Energy Course” ALTENER Project

“Airfoil design and data” Eppler R. New York Springer -Verlag



“ Theory of wing sections”. Abbot, I.H. y Von Doenhoff

“Wind turbine technology”. Spera, D.A. American Society of Mechanical Engineers

“Wind energy conversion systems”. L.L. Freris. Prentice Hall International

Principios de Conversión de energia eólica. Instituto de Estudios de la Energia(CIEMAT)

Sistemas Eólicos de producción de energía eléctrica. J.L. Rodriguez Amenedo; J.C. Burgos; S. Arnalte. Editorial Rueda

Bibliografía. (II)

2 principios de la energia eólica

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